Le réchauffement des océans menace un mécanisme naturel essentiel à la régulation du climat planétaire : le « toilette » marin, qui transporte le carbone des eaux de surface vers les profondeurs. Une étude récente dans le Pacifique Nord révèle que les vagues de chaleur extrêmes perturbent la chaîne alimentaire marine, limitant ainsi la capacité des océans à absorber le CO2.
Normalement, la vie microscopique des océans joue un rôle crucial dans la lutte contre le changement climatique. Le phytoplancton, organisme végétal marin, capte l’énergie solaire et absorbe le dioxyde de carbone (CO2) pour produire de l’oxygène. Ces minuscules algues sont ensuite consommées par le zooplancton, qui rejette des boulettes fécales riches en carbone. Ces déjections, plus denses, coulent vers le fond marin, séquestrant ainsi durablement le CO2 loin de l’atmosphère. Ce processus naturel agit comme une gigantesque toilette sous-marine, régulant la concentration de gaz à effet de serre dans notre ciel.
Cependant, l’augmentation constante des émissions de carbone par l’activité humaine réchauffe nos océans, entraînant des changements préoccupants dans ce système vital. Une étude menée dans le nord-est du Pacifique, une région déjà touchée par deux vagues de chaleur marines majeures entre 2013 et 2015, puis de 2019 à 2020, met en lumière ces bouleversements. Les chercheurs ont constaté que ces événements extrêmes ont altéré la composition du phytoplancton et du zooplancton, « obstruant » ainsi le fonctionnement de ce toilette marin et entravant le transfert du carbone vers les abysses.
« Ces études à long terme permettent de tout remettre en perspective et de tirer la sonnette d’alarme », explique Anya Štajner, doctorante en océanographie biologique à la Scripps Institution of Oceanography, qui n’a pas participé à la recherche. « L’océan change. Et cela affectera non seulement l’océan lui-même, mais aussi la vie qu’il abrite, et finalement nous, car nous dépendons de lui pour notre air, notre nourriture et la régulation de notre climat. »
Bien que chaque écosystème océanique possède ses spécificités, les vagues de chaleur observées dans cette région du Pacifique ont clairement diminué sa capacité à séquestrer le gaz carbonique. Cette situation est d’autant plus alarmante que les océans absorbent déjà un quart des émissions mondiales de CO2. « Même si l’on peut supposer que ce qui s’est passé ici pourrait se produire lors d’autres vagues de chaleur marines, entraînant une accumulation de carbone, il est essentiel d’évaluer ces phénomènes au niveau régional », souligne Colleen Kellogg, océanographe microbienne à l’Institut Hakai du Canada et co-auteure de l’étude publiée dans la revue Nature Communications.
Pour mener leurs recherches, les scientifiques se sont appuyés sur une décennie de données collectées par des flotteurs biogéochimiques Argo. Ces instruments autonomes plongent et remontent dans la colonne d’eau, mesurant la chimie océanique et transmettant les informations par satellite une fois à la surface. Cette méthode a permis d’obtenir un flux continu de données sur dix ans dans le nord-est de l’océan Pacifique subarctique, une zone connue pour ses conditions hivernales difficiles, sans nécessiter une présence constante en mer.
Les vagues de chaleur marines ont une origine commune avec celles que nous connaissons sur terre : le réchauffement atmosphérique. L’océan absorbe en effet 90 % de la chaleur excédentaire générée par l’activité humaine. Si au 19e siècle, seulement 2 % de la surface des océans connaissaient des températures extrêmes, ce chiffre dépasse aujourd’hui les 50 %. Ces événements, destinés à devenir plus fréquents et plus intenses, ne cesseront que si l’humanité réduit drastiquement et rapidement ses émissions de gaz à effet de serre. Par ailleurs, le Pacifique Nord a récemment battu des records de température, potentiellement en partie à cause de la réglementation de 2020 qui a réduit la quantité d’aérosols marins émis par les navires, lesquels ont un effet refroidissant en réfléchissant l’énergie solaire.
Comme lors des canicules terrestres les plus intenses, une diminution des vents a aggravé la situation durant ces deux épisodes. En temps normal, après le réchauffement des eaux de surface au printemps et en été, les vents d’hiver brassent la surface, créant des courants qui font remonter les eaux plus froides et profondes, homogénéisant ainsi la température de la colonne d’eau. Ce brassage n’ayant pas eu lieu lors de ces deux vagues de chaleur, la mer est restée plus stagnante.
« L’eau plus chaude, moins dense, reste à la surface, formant une sorte de « couvercle » », explique Mariana Bif, biogéochimiste marine à l’Université de Miami et auteure principale de l’étude. « Au printemps et en été suivants, cette eau est encore plus chaude car elle ne s’est pas refroidie durant l’hiver. L’impact des vagues de chaleur marines commence donc dans l’atmosphère, puis se transfère dans l’océan. »
Les deux épisodes de réchauffement n’ont cependant pas eu les mêmes causes. Le premier a coïncidé avec un phénomène El Niño, qui a accentué le réchauffement dans le nord-est du Pacifique. Le second a été marqué par une diminution significative de la salinité due à des changements dans la circulation océanique. L’eau moins salée étant moins dense, elle reste à la surface, renforçant ainsi le « couvercle » chaud.
L’absence de brassage hivernal a également eu pour conséquence de limiter l’apport de nutriments provenant des profondeurs, privant ainsi le phytoplancton des éléments essentiels à sa croissance. La combinaison de températures élevées et d’une faible teneur en nutriments à la surface a radicalement modifié l’environnement des organismes qui y vivent et qui y transforment le carbone.
Ce bouleversement a transformé l’écosystème. Comme les plantes terrestres, les différents types de phytoplancton ont des besoins nutritionnels variés. « Habituellement, dans les zones bien mélangées et riches en nutriments, on trouve un groupe de gros phytoplancton qui produit beaucoup de carbone et de biomasse », précise Mariana Bif.
Face au changement des conditions, ce sont les espèces de phytoplancton plus petites qui ont prospéré, nécessitant moins de nutriments pour se développer, tandis que les plus grandes déclinaient. Étant donné que le zooplancton se nourrit de phytoplancton de différentes tailles, ceux qui consommaient les plus petites algues ont soudainement trouvé une nourriture abondante. « Ces espèces produisent des boulettes fécales plus petites, qui ont tendance à flotter davantage dans l’eau au lieu de couler », indique Colleen Kellogg. « Cela pourrait donc contribuer à la réduction du carbone transporté de la surface vers les profondeurs de l’océan. »
Grâce aux données collectées sur toute la profondeur de la colonne d’eau, les chercheurs ont pu observer le devenir du carbone durant ces vagues de chaleur. Les particules de carbone se sont accumulées à des profondeurs de 200 mètres lors du premier événement, et entre 200 et 400 mètres lors du second. Dans ces zones, le zooplancton a continué à consommer ces particules, les fragmentant en éléments plus petits qui ne pouvaient plus couler. Lors de la seconde vague de chaleur, l’augmentation du zooplancton de petite taille a entraîné une production accrue de boulettes fécales plus petites et non coulantes.
Non seulement ce système naturel de transfert du carbone ne fonctionnait plus correctement, mais de plus en plus de « déchets » s’accumulaient dans ces eaux chaudes. Les bactéries trouvaient ainsi une matière organique abondante à décomposer, rejetant du CO2 dans la mer. À terme, les courants pourraient ramener ces eaux chargées en CO2 à la surface, où le gaz serait relâché dans l’atmosphère.
Les scientifiques devront désormais surveiller davantage de vagues de chaleur dans d’autres régions du globe pour déterminer si les mêmes mécanismes sont à l’œuvre et dans quelle mesure cela pourrait limiter la capacité des océans à séquestrer le carbone. Par ailleurs, le phytoplancton et le zooplancton sont déjà confrontés à d’autres menaces, comme l’acidification des océans, qui pourrait altérer la capacité de certaines espèces à former des coquilles protectrices.
Une diminution du phytoplancton signifierait moins d’oxygène produit par les océans et moins de nourriture pour le zooplancton, qui sert de base à la chaîne alimentaire pour de nombreux autres animaux marins, y compris les baleines. « Porter attention à ce qui se passe à la base du réseau alimentaire nous apportera beaucoup d’informations », conclut Anya Štajner, « à la fois sur la façon dont cela se répercutera sur ces grands animaux marins qui nous tiennent à cœur, mais aussi sur notre climat. »
Grâce aux milliers de flotteurs biogéochimiques Argo qui collectent des données à travers le monde, les chercheurs obtiennent une image toujours plus précise de l’évolution des mers et de leur plancton. « Les océans sont encore largement sous-échantillonnés et sous-étudiés », rappelle Mariana Bif. « Pourtant, ils jouent un rôle central dans le climat. Nous ne pouvons pas comprendre ce que nous ne pouvons pas observer. »